变压器油,工业白油,抗磨液压油专业厂家—淄博半岛开户

0 引言
变压器作为电网的枢纽设备，具有电压等级高、运行温度高、储油量多、结构复杂等特点[1],其内部存在大量变压器油，变压器油本身具有易燃易爆的特性，在发生电力故障时，易形成喷射火、流淌火、油池火等多种形式的火灾事故[2,3,4,5]。值得注意的是，换流变压器运行能量高，一旦出现异常，火灾发生初期一般伴随爆炸现象。除对变压器本体造成破坏外，爆炸冲击对于周边设施也影响极大，甚至可能会直接导致消防系统和阀厅封堵失效，因此研究网侧套管中变压器油爆炸对消防设备的毁伤具有重要意义。
目前对于变压器油燃爆特性的研究，大多数学者主要关注变压器油燃烧过程中关键参数的变化，并使用数值模拟来研究和分析爆炸事故的原因。郭正位等[6]运用TNO模型研究了变压器油在电弧作用下分解产生的气体体积、气团大小、封闭强度随爆炸压力的变化关系。赵欣宇等[7]对变压器油闪蒸后发生的爆炸和泄爆进行数值模拟，发现随着爆炸当量增加，爆炸产生的冲击波能量会相应地增强，从而导致更强的冲击效应。Brady等[8]基于数值模拟开展了变压器几何特征及内部设备位置布局的优化设计。Martin等[9]通过对变压器爆炸事故的数据分析发现，套管失效是引发变压器爆炸事故的主要原因。此外，一些常见燃料的燃爆和抛洒特性参数及火球预测模型也成为了大量学者研究的对象。尤祖明等[10]针对JP-10燃料的燃爆特性进行了实验，发现燃料高热值特性有助于提高云爆武器的热毁伤效果。吴德义[11]利用高速摄影技术揭示了冲击波作用下液体抛洒不同阶段的运动规律。史远通等[12]基于数值模拟对燃料空气炸药的燃料抛洒非对称特性进行了研究，得出中心装药的偏移对燃料抛洒有同向抑制作用的结论。郭学永等[13]开展了燃料爆炸实验，将燃料爆炸抛洒分为喷出、过渡和膨胀3个阶段，并发现各阶段结束时刻和最终云雾直径与装填燃料体积量的立方根成正比。Roberts[14]研究了高压液化天然气可燃云的质量对火球直径、火球持续时间的影响。Dorofeev等[15]开展了柴油、汽油等燃料爆炸火球的热辐射研究。Makhviladze等[16]通过建立液态燃料与液化气体混合物瞬态流动的计算模型，揭示了燃料云着火时火球发展的演化机理。Wang等[17]开展了全尺寸的液化天然气蒸汽云爆炸实验，并建立了考虑爆炸产物吸收率的火球理论模型。
综上所述，现有文献中关于火球预测模型和爆炸特性参数的研究多数基于常见燃料开展。对于变压器油的燃爆方面，主要集中于数值模拟和爆炸事故的原因分析，而对变压器油爆炸火球和超压分析较少。鉴于此，本文开展了不同体积的变压器油爆炸对消防设备损伤的实验研究，研究结果可为变压器油损伤鉴定和燃爆防控提供参考。
1 实验装置与实验系统
1.1 实验装置
本文主要研究变压器油在起爆药包作用下的爆炸对消防装置的影响。变压器油与消防装置布置如图1所示。变压器油装于直径为286mm的塑料袋，起爆药包位于变压器油柱的中心。起爆药采用不同比例的黑索金与铝粉进行混合装药。变压器油柱通过挂钩悬挂于铝合金支架中心，其中心距离地面1.5m。实验测试的消防装置包括不锈钢水喷雾管道、压缩空气泡沫系统(CAFS)喷淋管和消防水炮，三者分别位于以变压器油柱为中心、半径1.5m的圆周上。2根CAFS喷淋管呈空间对称设置，消防水炮与不锈钢水喷雾管也呈空间对称设置，两相邻消防装置的圆心角为90°。
1.2 测试系统
测试系统由摄像系统、压力测试系统和点火系统组成，如图2所示。摄像系统主要包括HX-3E型高速摄影机、计算机及HXlink处理软件。压力测试系统包括3只102B16系列PCB传感器、恒流源以及LeCory HDO 4034型示波器。3只PCB压力传感器分别放置在消防水炮、不锈钢水喷雾管道和CAFS喷淋管朝向爆炸中心的表面。感应面与冲击波波阵面垂直，并使用防火绝缘胶带进行固定。压力传感器与爆炸中心保持水平并离地面1.5m。点火系统为便携式发爆器。采用NAC公司HX-3E高速摄影机进行图像拍摄，拍摄速率每秒2000帧，曝光时间为4s。
2 实验研究与分析
2.1 不同起爆能量下变压器油的爆炸特性分析
为获得变压器油起爆着火的最小能量，共设计了5组不同比例黑索金和铝粉混合的起爆药包(共12g),黑索金与铝粉的质量比分别为9∶1、8∶2、7∶3、6∶4、5∶5。含铝起爆药包的爆炸过程可以分为2个阶段，其中第一阶段为炸药爆轰阶段，第二阶段则是二次反应阶段。在这2个阶段中，铝粉只参与了二次反应阶段。为了更好地描述和研究这个过程，引入反应度λ与铝氧比χ[18]。通过引入这2个参数，能够更准确地描述和量化铝粉在二次反应中的作用，以及铝氧比对反应度的影响。
2.2 不同体积变压器油爆炸火球的特性分析
图4给出了变压器油爆炸火球典型演化过程，该过程可分为2个阶段：第一阶段，炸药起爆后，变压器油在爆炸冲击作用下破碎成为小液滴[19],油滴与气体之间存在速度滑移，在液滴表面形成逆气流方向的剪切力，油滴进一步破碎形成更小的油滴[20]。第二阶段，起爆药包中铝粉燃烧产生大量热量，使油雾发生汽化、燃烧，进而形成爆燃火球[21]。随着时间的推移，爆炸火焰的直径不断增大。由于油柱非球形，导致油雾非球形，爆炸火焰也非球形。
借助图像处理软件将高速摄影所拍摄的火球锋面进行定位，可以得到火球扩展锋面的坐标值，进而获得爆炸火球的扩展半径和速率。图5和图6给出了不同体积变压器油爆炸火球扩展半径和速率的变化曲线。当起爆药包爆炸作用于变压器油时，最初的10ms内，变压器油在起爆药包爆轰作用下抛洒形成油雾，铝粉燃烧点燃变压器油雾，诱导油雾-空气两相爆炸，火球半径快速增大，最大扩散速率可达170m/s～180m/s。需要说明的是，图5给出的半径为各方向的最大扩散半径，非当量半径。当药包爆炸冲击波作用不断削弱，油雾抛洒速率减小，导致火球扩散速率随着时间快速衰减[22]。起爆能量相同的情况下，不同体积的变压器油会形成不同密度和雾滴直径的油雾，因此，油雾-空气两相爆炸速度随变压器油体积的增加而增大。随着火球扩散半径增大，炸药爆炸作用不断衰减，不同体积变压器油的火球扩展速率趋于相等。图7给出了不同变压器油量的爆炸火球最大扩展半径，需要说明的是，变压器油爆炸的起爆能量均为91.766kJ。图7表明：当油袋直径和起爆药包能量相同时，随着油量由1L增至5L,爆炸火球的最大扩展半径由3.22m增至7.34m, 即爆炸火球的最大扩展半径随着油量的增加而增加。
2.3 不同体积下变压器油爆炸的超压分析
为对比分析变压器油爆炸超压的变化规律和峰值特征，首先开展了无变压器油、相同药量、爆心距为1.5m的起爆药包爆炸实验，典型结果如图8所示，需要说明的是，该实验无消防装置，仅用于对比确定峰值特征。P1为药包爆炸超压峰值，P2为起爆药包爆炸后气体过膨胀诱导的负压峰值，P3为爆炸波在地面或其他边界反射形成的超压峰值。
图9给出了2L变压器油的爆炸超压时程曲线图，由图可明显观察到有4个超压峰值。对比相同起爆能量作用下无变压器油的爆炸超压曲线与2L变压器油的爆炸超压曲线，峰值超压P1、P2和P3的出现时间以及峰值大小接近。P1为变压器油内药包爆炸超压峰值，P2为起爆药包爆炸后气体和油雾过膨胀诱导的负压峰值，P3为反射波经过油雾衰减后的超压峰值，P4为油雾爆炸超压峰值。
图10给出了不同体积变压器油的爆炸超压时程曲线图。由图10可以看出，不同体积变压器油的爆炸时程曲线与2L变压器油的爆炸超压时程曲线变化规律基本一致。图11给出了在不同消防设备位置处所测的峰值超压P1、P2、P3和P4的结果。当油量增多时，药包爆炸产生的冲击波用于抛洒、破碎变压器油的能量逐渐增加，这会导致在消防水炮、消防水管和CAFS喷淋管位置的冲击波超压减小。在消防水炮位置，超压从33.05kPa降到9.06kPa; 在消防水管，超压从24.32kPa降到8.93kPa; 在CAFS喷淋管位置，超压从28.80kPa降到8.75kPa。由于油柱和药包的非球性，导致在消防水炮、消防水管、CAFS喷淋管位置的峰值超压略有不同。尽管油量增加，峰值超压P2和P3的变化幅度较小，而峰值超压P4则略有下降或变化幅度不大。主要原因在于，起爆药包爆炸可以抛洒和破碎变压器油，而产生的油雾半径均大于测点半径1.5m。起爆药包中的铝粉燃烧点燃油雾，油雾-空气诱导两相爆燃，由于测点距中心距离相同，因此油雾爆燃超压基本一致。但相同起爆药包爆炸作用下，由于变压器油量的不同，油雾雾滴直径和空间分布会不同，对爆燃超压略有影响。
3 结论
通过开展不同体积变压器油爆炸下的消防设备抗爆实验，探讨了起爆药包组成和变压器油量的影响机制，得出主要结论如下：
(1) 使用不同比例的黑索金和铝粉混合药包引爆变压器油，当起爆药包总质量为12g, 黑索金和铝粉的比例为9∶1、8∶2、7∶3时，只能使变压器油抛洒成雾状，无法引燃。而当黑索金和铝粉的比例为6∶4时，起爆药包可以引燃变压器油雾。
(2) 在变压器油的爆炸超压时程曲线上可明显观察到4个超压峰值，分别为药包爆炸超压峰值、起爆药包爆炸后气体和油雾过膨胀诱导的负压峰值、反射波经过油雾衰减后的超压峰值及油雾爆炸超压峰值。
(3) 针对给定的起爆药包能量，随着变压器油量的增加，爆炸火球的最大扩展半径增大，其扩散速率也增加。随着火球的扩展半径增大，不同油量的变压器油爆炸火球扩展速率趋于相等。
(4) 随着变压器油量的增加，起爆药包爆炸所产生的冲击波能量中用于变压器油破碎和抛洒的能量增加，导致在消防水炮、消防水管和CAFS喷淋管位置的冲击波超压减小。受起爆药量和变压器油量的限制，最大爆炸超压约为30kPa。虽然爆炸超压对消防设备产生了一定效应，但并未造成明显的损伤。